激光3D打印用TC4合金粉末的制備研究

激光3D打印是利用粉末狀的塑料或金屬作為可粘合性材料，利用離散堆積原理，依三維實(shí)體模型，經(jīng)分層軟件將其進(jìn)行分層后將三維模型轉(zhuǎn)換成二維模型，再進(jìn)行逐層打印而形成實(shí)物的一種快速成型技術(shù)。合金因具高強(qiáng)度、低彈性模量與低密度、良好抗疲勞性與強(qiáng)耐腐蝕性而廣泛應(yīng)用于3D打印行業(yè)。TC4合金更是因具高強(qiáng)度、耐腐蝕與良好綜合力學(xué)機(jī)械性能而在各行業(yè)與領(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮著重要的作用。

1  TC4合金粉末的制備方法

1.1  等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等離子旋轉(zhuǎn)電極法的電極是利用金屬或是合金所制，其端面經(jīng)電弧加熱后會(huì)熔為液體，在高速離心力的作用下，所產(chǎn)生的液體會(huì)被拋出并粉碎成為細(xì)小的液滴，再經(jīng)冷凝即成為粉末。此制備方法可通過(guò)對(duì)電極的轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速而實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末粒徑的控制，從而獲得相對(duì)理想的球形粉末。利用此法所制得的粉末其球形度較高，流動(dòng)性較好，且具高送裝密度，表面光滑，打印時(shí)極易控制，有效減少了打印過(guò)程當(dāng)中氣體、裂紋等現(xiàn)象的出現(xiàn)。但因離心速度的限制，所制得的粉末其粒度較粗，分布區(qū)間過(guò)于集中，且生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)率偏低。

1.2  等離子絲材霧化法

等離子絲材霧化法的原料為各類合金絲材，經(jīng)加工而成為球形粉末。等離子絲材霧化法起源于加拿大的Raymor公司，此制備方法由其自行開(kāi)發(fā)，并配有專業(yè)制造設(shè)備。采取等離子絲材霧化法制得的合金粉末雜質(zhì)較少，極少數(shù)存在“衛(wèi)星球”或粘附現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生較大影響。等離子絲材霧化法的出粉率及工作效率均較高。

1.3  氣體霧化法

氣體霧化法是利用高速氣流將金屬液流進(jìn)行擊碎，再經(jīng)快速凝固成為粉末的方法。氣體霧化法只需抑制原材料原子之間的作用力即可將其進(jìn)行分散，當(dāng)前多數(shù)可形成液體的金屬材料均可實(shí)施霧化，所使用的氣體霧化方法主要有真空霧化法與惰性氣體霧化法。利用氣體霧化法所制得的合金粉末可快速凝固成型，無(wú)空心現(xiàn)象，且球形度較高，但此法的出粉率偏低，且生產(chǎn)成本較高。當(dāng)前國(guó)內(nèi)利用此法生產(chǎn)合金粉末的出粉率都較低。

1.4  各種制備方法的比較

上述三種制備方法均為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)試驗(yàn)的主流方法，其中利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法所制得的TC4合金粉末的球形度較好，但粒度較粗，在實(shí)際使用時(shí)可通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)控制粉末的粒度；利用等離子絲材霧化法所制得的TC4合金粉末的球形度較好，粉末的粒度較小，且制備種類較多，但國(guó)內(nèi)的應(yīng)用技術(shù)尚未成熟，無(wú)法廣泛推廣使用；利用氣體霧化法所制備的TC4合金粉末的顆粒較細(xì)、含氧量較低，且對(duì)原料的要求較低，但其生產(chǎn)成本較高。不同的制備方法各有千秋，經(jīng)比較分析，建立選擇等離子旋轉(zhuǎn)電極法進(jìn)行TC4合金粉末的制備。

2  激光3D打印用TC4合金粉末的組織性能分析

2.1  實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所選擇的材料為利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法所制備的TC4合金粉末，實(shí)驗(yàn)方法為利用專業(yè)儀器對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析。經(jīng)分析顯示，此TC4合金粉末的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Al(6.25%)、Fe(0.27%)、V(3.92%)、C(0.1%)、N(0.006%)、Si(0.1%)、O(0.12%)、H(0.005%)、Ti(89.23%)。由此可知，粉末所含H、N、O的總量較低，與高性能產(chǎn)品的打印要求相符。

另外，利用此方法所制備的TC4合金粉末顆粒的形狀近似球形，表面光滑，具良好流動(dòng)性，雜質(zhì)較少，經(jīng)電鏡掃描SEM照片與單個(gè)粉末顆粒的照片如圖1、2。從圖中可以看出，TC4合金粉末顆粒呈球形分布時(shí)，其具良好成形性能，再加上其近似球形，因此，將其應(yīng)用于激光3D打印時(shí)也具良好流動(dòng)性。   

圖1  TC4合金粉末的SEM照片                    圖2  單個(gè)粉末顆粒的照片

2.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1  粉末的成球機(jī)理

利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法所制得的TC4合金粉末其形狀近似球形，且表面光滑，具良好流動(dòng)性，非常符合激光3D打印的要求。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法所制得的TC4合金粉末的成球機(jī)理主要包括三部分：第一部分，利用高速氣流對(duì)經(jīng)熱熔的合金液滴造成沖擊，使其被拉長(zhǎng)，成為一層極薄的波浪形的液體膜，并能遠(yuǎn)離氣體中心；第二部分，受氣壓影響，脫離出來(lái)的合金液滴非常不穩(wěn)定，經(jīng)液體表面的張力作用，再經(jīng)噴吹斷裂，即會(huì)成為一種橢圓形的液滴；第三部分，橢圓形液滴在氣壓與液體表面的張力作用下，再次破碎成為若干個(gè)小液滴，再經(jīng)表面的張力作用，在下降時(shí)便有收縮成球的趨勢(shì)，經(jīng)冷卻即凝固成球形。其具體過(guò)程如圖3。利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備TC4合金粉末可通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制而獲得激光3D打印所需的粉末粒徑，并控制其粒徑分布。

圖3  TC4合金粉末成形示意圖

2.2.2  微觀組織演變規(guī)律

本次試驗(yàn)的TC4合金粉末的橫截面金相組織照片見(jiàn)圖4。受離子束的作用，TC4合金粉末會(huì)成為一個(gè)圓形的熔池，熔池溫度自中心至邊緣逐步降低，現(xiàn)高斯分布狀。也正是因?yàn)闇囟壬系牟町?，TC4合金粉末的熔化程度也有所不同。中心溫度較高處的粉末基本充分熔化，而位于邊緣處溫度較低的粉末卻基本未熔化，或是熔化不充分，致熔池中心與邊緣區(qū)域的晶粒微觀組織的形貌與尺寸也有所不同。利用脈沖打點(diǎn)對(duì)粉末進(jìn)行熔覆可減少因溫度差而造成的熔化差異，利用后一熱源對(duì)合金粉末進(jìn)行熱熔的同時(shí)，給予前一光斑邊緣區(qū)以能量補(bǔ)充，實(shí)施重熔，那么晶粒即會(huì)將能量進(jìn)行吸收，并沿能量來(lái)源方向繼續(xù)生長(zhǎng)。

圖4  TC4合金粉末橫截面的金相組織照片

TC4合金粉末縱截面的金相組織照片見(jiàn)圖5。利用金相顯微鏡對(duì)TC4合金粉末進(jìn)行觀察可發(fā)現(xiàn)，其顯微組織是一種粗大的β柱狀晶。在圖中可以清楚地看到晶界，并能發(fā)現(xiàn)柱狀晶是沿堆積層的方向生長(zhǎng)的，生長(zhǎng)至晶界處時(shí)即停止生長(zhǎng)，而與基材區(qū)距離較遠(yuǎn)的柱狀晶，其會(huì)沿外延繼續(xù)生長(zhǎng)，并有長(zhǎng)大的現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，在進(jìn)行激光3D打印時(shí)，其所產(chǎn)生的溫度會(huì)影響TC4合金粉末的顯微組織。當(dāng)利用離子束將后部分合金粉末進(jìn)行熔化時(shí)，前部分的合金粉末相當(dāng)于再次接受到了熱量，TC4合金粉末的β相具較大的自擴(kuò)散系數(shù)，一點(diǎn)點(diǎn)微小的能量即可促進(jìn)晶粒的繼續(xù)生長(zhǎng)。因此，在對(duì)后部分合金粉末進(jìn)行加熱熔化時(shí)，前部分合金粉末的β柱狀晶會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)大或是過(guò)熱的情況。

圖5  TC4合金粉末縱截面的金相組織照片

2.2.3  熱處理方法

對(duì)TC4合金粉末采取不同的熱處理方法，其金相組織也會(huì)有所變化。圖6分別為TC4合金粉末分別采取沉積態(tài)(1)、970℃/AC/1h+540℃/AC/4h(2)與970℃/FC/1h(3)三種熱處理方法下的金相組織照片。由圖可以看出，采取沉積態(tài)方法進(jìn)行熱處理的TC4合金粉末的金相組織為α固溶體與β固溶體的相互混合；采取970℃/AC/1h+540℃/AC/4h進(jìn)行熱處理的TC4合金粉末的金相組織為網(wǎng)籃組織；而采取970℃/FC/1h進(jìn)行熱處理的TC合金粉末的金相組織為由網(wǎng)籃組織與球化α相相互混合的雙態(tài)組織。網(wǎng)籃組織具較好的高溫蠕變性能，且強(qiáng)度高、塑性好，而由網(wǎng)籃組織與球化α相相互混合的雙態(tài)組織其強(qiáng)度雖高，但塑性較差。

(1)沉積態(tài)             (2) 970℃/AC/1h+540℃/AC/4h         (3) 970℃/FC/1h

圖6  采取不同熱處理方法進(jìn)行處理的TC4合金粉末的金相組織照片

3  結(jié)語(yǔ)

總而言之，當(dāng)前激光3D打印用TC4合金粉末的制備方法較多，其中利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法所制得的粉末其球形度較好，表面光滑，具良好流動(dòng)性，極符合激光3D打印的要求。TC4合金粉末的橫截面與縱截面的顯微組織分別為自中心至邊緣呈輻射狀的柱狀晶與沿堆積層方向生長(zhǎng)的柱狀晶，通過(guò)控制熱源能量，可對(duì)合金粉末的顯微組織進(jìn)行控制，同時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)臒崽幚磉€可提高粉末的強(qiáng)度與塑性，以使更符合激光3D打印的要求。

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